Bussysteme

Allgemeines zu Bussystemen

Um einen reibungslosen und schnellen Arbeitsablauf innerhalb des PCs zu ermöglichen müssen alle verschiedenen Baugruppen mit einander kommunizieren. Dabei werden Daten von jeder angeschlossenen Baugruppe zu einer anderen beliebigen Baugruppe geleitet. Zudem muss sichergestellt sein, dass alle Einheiten richtig angesteuert werden können. Um all diese Anforderungen zu erfüllen, werden die Baugruppen eines PCs über Bussysteme miteinander verbunden.

Was ist ein Bussystem?
Unter einem Bussystem versteht man im PC-Bereich ein Bündel von elektrischen Leitungen, an denen alle Baugruppen parallel geschaltet werden. Die Anzahl der Leitungen des Busses bezeichnet man als Busbreite.

Innerhalb eines PCs gibt es verschiedene Busarten, diese sind nötig, da innerhalb eines PCs nicht nur Daten, sondern auch Steuersignale ausgetauscht werden.

Man unterscheidet dabei zwischen:

- Datenbus (Data Bus): Der Datenbus sendet zu verarbeitende Daten von den einzelnen Baugruppen zum Prozessor und umgekehrt vom Prozessor zu den einzelnen Baugruppen.

- Adressbus (Address Bus): Da alle Baugruppen parallel angeschlossen sind, aber jeweils nur eine Baugruppen senden oder empfangen darf um evtl. Datenkollisionen zu verhindern, müssen die einzelnen Baugruppen Adressen zugewiesen bekommen, mit denen der Prozessor sie dann ansprechen kann. Um diese Adressen zu vergeben werden alle Einheiten parallel an den Adressbus geschaltet und dürfen nur, wenn sie die ihr zugewiesene Adresse empfängt Daten auf dem Datenbus senden oder empfangen.

- Steuerbus (Control Bus): Der Prozessor muss einer Baugruppe (z. b. Arbeitsspeicher) mitteilen, ob sie Daten an den Prozessor senden soll oder von ihm Daten empfangen soll. Dies geschieht mit Hilfe des Steuerbusses. Er teilt der angesprochenen Einheit mit, ob der Prozessor Daten an sie übermitteln will oder ob er Daten empfangen möchte.

,,Datenbus, Adressbus und Steuerbus bilden zusammen den Systembus des PCs" (Basiswissen IT-Berufe - ,,Einfache IT-Systeme" 2000, S. 10)

Die prinzipielle Busstruktur:

Bidirektionaler Bus

Unter einem Bidirektionalem Bus versteht man einen Bus, bei dem Signale in beide Richtungen fließen, so z. b. beim Datenbus.

Unidirektionaler Bus

Unter einem Unidirektionalem Bus versteht man einen Bus, bei dem die Signale nur in eine Richtung fließen, so z. B. beim Adressbus und beim Steuerbus.

Externer und Interner Bus
Die einzelnen Baugruppen sind über das prozessorinterne Bussystem (Steuer-, Daten- und Adressbus) miteinander verbunden. Man unterscheidet dabei zwischen internem Bus und externem Bus. Dabei ist zu beachten, dass die Busbreite und die Verarbeitungsgeschwindigkeit des internen Busses ( Prozessorbussystem) nicht mit der des externen Systembusses übereinstimmt. Deshalb schaltet man eine Reihe von Hilfsprozessoren (Chipsätze) zwischen die Bussysteme. Diese koordinieren und verteilen die Daten auf die einzelnen Busse. Zudem übernehmen sie noch einige Funktionen des Hauptprozessors, wodurch eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit erzeugt wird.

Bus-Mastering

,,Bus-Mastering bedeutet, dass der Prozessors zeitweilig die Kontrolle über den Bus an eine Adapterkarte abgibt, um so andere Arbeiten schneller ausführen zu können."
(Basiswissen IT-Berufe - ,,Einfache IT-Systeme" 2000, S. 41)

Die verschiedenen Bussysteme

ISA-Bus (Industrial Standard Architecture)

1984 stellte IBM sein Modell IBM AT vor. Ursprünglich verfügte es über einen 8 Bit Daten und einen 20 Bit Adressbus, der Bustakt betrug 4,77 MHz. Dieser PC war der erste , der über Steckplätzen verfügte. So war es möglich die doppelte Menge an Daten zu transportieren, als es die bis dahin bekannten Systeme konnten. IBM nannte dieses Bussystem ISA ( Industrial Standard Architecture). Als der AT-Standart eingeführt wurde erweitertet IBM den Datenbus auf 16 Bit und den Adressbus auf 24 Bit. Zusätzlich wurde der Bustakt auf 8 MHz erhöht. Er war somit ideal auf die damaligen 286er Intel-Prozessoren abgestimmt. Er war allerdings bereits bei den 386ern überfordert. Trotzdem findet man ihn heute immer noch als Ergänzung zum PCI-Bus, da er für einfache Erweiterungskarten, wie Soundkarten, Gameportkarten und Multi-I/O-Karten reicht der ISA-Bus immer noch aus.

EISA-Bus:

EISA bedeutet Extended Industry Standart Architecture. Der EISA-Bus ist eine Erweiterung es ISA-Buses. Er verfügt über einen 32-Bit-Datenbus und wird mit einer Taktfrequenz zwischen 8 und 8,33 MHz. getaktet. Im Gegensatz zum ISA-Bus unterstützt der EISA-Bus zusätzlich das oben angesprochene Bus-Mastering. Außerdem sind EISA-Steckplätze abwärtskompatibel, d. h. sie sind so aufgebaut, dass sie auch ISA-Steckkarten aufnehmen können. Der EISA-Bus konnte sich allerdings nie so richtig durchsetzten, da die Preise relativ hoch waren.

MCA-Bus (Micro Channel Architecture Bus)

Der MCA-Bus wurde im Jahre 1987 wie schon der ISA-Bus von IBM entwickelt. Er unterstützt ebenfalls das Bus-Mastering und verfügt über einen 32-Bit-Datenbus sowie über einen 32-Bit- Adressbus. Er wird mit 10 MHz. Taktfrequenz getaktet. Zusätzlich konfiguriert er die Adapter und die von ihnen benutzten Adressen automatisch. Dieses Merkmal wurde später erneut unter dem Namen ,,Plug and Play" auf den Markt gebracht. Da der MCA-Bus allerdings weder zum ISA, noch zum EISA-Bus kompatibel ist, wird er heute nicht mehr verwendet.

VL-Bus

Verschiedene Anbieter von Peripheriegeräten schlossen sich zur VESA (Video Electronics Standards Association) zusammen und entwickelten gemeinsam den VL-Bus (Vesa Local Bus) um in erster Linie einen schnelleren Transfer großer Datenmengen vor allem bei Grafikkarten zu ermöglichen. Der VL-Bus wurde mit einem 32-Bit Datenbus ausgestattet und arbeitet mit einem 40 MHz. Bustakt, theoretisch wäre aber auch ein Bustakt von bis zu 66 MHz. möglich. Der Begriff ,,local" drückt aus, dieser Bustakt direkt auf dem Prozessortakt aufgebaut wurde. Da der VLB-Steckplatz auf einem 16-Bit-ISA-Slot aufgebaut wurde, können auch weiterhin ISA-Karten auf ihm genutzt werden. Auch der VL-Bus verfügt über das lokale Bus-Mastering, zusätzlich bietet der VL-Bus den aktive (d.h. mit einem lokalen Prozessor ausgestattete) Erweiterungskarten die Möglichkeit direkt mit dem Prozessor zu kommunizieren, in dem man den normalen Systembus vollständig umgeht. Auf diese Weise ist es möglich eine Leistungssteigerung zu erzielen. Der VL-Bus ist überwiegend in 486er Prozessoren zu finden.

PCI-Bus

Der Peripheral Component Interconnect oder Peripheral Component Interface Bus kurz PCI-Bus wurde 1992 von der Firma Intel in Verbindung mit Pentiumprozessoren vermarktet. Der PCI-Bus ist nicht einfach nur ein neues Leitungssystem, sondern stellt ein Bussystem dar, dass alle wichtigen Komponenten eines PCs miteinander verbindet und trotzdem CPU-unabhängig ist. Diese Verbindung erfolgt über die sogenannte Host-Bridge im Chipsatz des PCI-Buses. Diese Host-Bridge passt die unterschiedlichen Taktfrequenzen an und setzt die Schreib- und Leseanforderungen der CPU für den PCI-Bus um. Dadurch wird der Prozessor entlastet und kann unabhängige Berechnungen durchführen, obwohl er gleichzeitig Daten von einer Komponente zur anderen transferiert.

Der PCI-Bus arbeitet mit einem 32-Bit-Adressbus und je nach Spezifikation mit einem Datenbus von bis zu 64 Bit. Die Taktfrequenz beträgt 33 MHz. bzw. 66MHz. oder sogar 100 MHz.. Der PCI-Bus kann aufgrund seines Aufbaus maximal 10 Geräte oder Devices versorgen. Dabei ist zu beachten, dass ein leerer PCI-Slot als ein Device gilt und ein Slot mit Karte als zwei Devices zu bewerten sind.

USB

Der USB (Universal Serial Bus) wurde 1996 von Intel entwickelt und hat sich zum Standard für den Anschluss von externen Geräten entwickelt. Über den USB-Bus können bis zu 127 Geräte angeschlossen werden, der USB-Bus fungiert dann als USB-Host. An den PC können z. B. externe Brenner, Drucker, Scanner, Spiele-Adapter, Modems, aber auch Maus und Tastatur angeschlossen werden. Diese Geräte werden über Hubs angeschlossen.

,,Der Hauptcomputer in einem System von PCs, Terminals und anderen Endgeräten, die über Kommunikationsleitungen verbunden sind, wird als Host bezeichnet. Ein Gerät, das Kommunikationsleitungen an einer zentralen Stelle bündelt und eine elektrische Verbindung zu allen angeschlossenen Geräten herstellt, bezeichnet man als Hub. Die Anschlüsse an einem Hub werden Ports genannt."
(Basiswissen IT-Berufe - ,,Einfache IT-Systeme" 2000, S. 43)

Meistens findet man innerhalb eines PCs mit USB-Unterstützung bereits einen Root-Hub integriert. Dieser ermöglicht den Anschluss von einem oder von mehreren Endgeräten (Knoten). Als Endgerät bezeichnet man normalerweise ein separates Peripheriegerät, dass über Kabel mit dem Anschlussport eines Hubs verbunden ist. Es gibt allerdings auch spezielle Endgeräte, die für den Host als Hubs erscheinen und es so möglich machen an ihnen noch weitere Endgeräte anzuschließen. Diese Geräte werden auch Multifunktionsgeräte oder Compound Devices genannt.

Alle USB-tauglichen Hubs und Endgeräte werden durch ein spezielles Symbol gekennzeichnet und müssen ein standardisiertes Interface bereitstellen. Dieses Interface muss folgende merkmale besitzen:

- Unterstützung des USB-Protokolls
- Reaktion auf standardisierte USB Operationen (z.B. Konfiguration oder Reset)
- Bereitstellung von Informationen über die jeweils implementierten Funktionen

Während des laufenden Betriebs können Verbindungen gekappt oder neue Verbindungen erstellt werden. Diese Technik nennt man Hot-Plugging. Die Datensignale werden seriell über ein vieradriges Kabel (Twisted-Pair-Kabel) übertragen. Die Daten werden in Paketen übertragen, wobei jedes Paket ein 7 Bit breites Adressfeld beinhaltet.
Die Reihenfolge, in der Daten übertragen werden erfolgt nach der Dringlichkeit, d. h. müssen größere Datenmengen zu einem Gerät gesendet werden, so erfolgt der Versand in kürzeren Intervallen als zu den anderen Geräten. Das Anschlusskabel zu den Endgeräten darf bei Verwendung eines abgeschirmten Kabels maximal 5 m, bei Verwendung eines ungeschirmten Kabels maximal 3 m lang sein. Das Buskabel muss am Ende mit Terminierungswiderständen abgeschlossen sein, um so die logischen Zustände einwandfrei erkennen zu können. Der USB in der Version 1.0 ermöglicht Übertragungsraten von 1,5 Mb/s (Megabit pro Sekunde) und 12 Mb/s. die Version 2.0 hingegen soll Übertragungsraten von 120 Mb/s und 480 Mb/s ermöglichen.
Firewire

Firewire benutzt den IEEE 1394-Standard, der schon vor geraumer Zeit im Audio/Video-Bereich entwickelt wurde, um einen möglichst reibungslosen Anschluss von Unterhaltungselektronischen Geräten wie DVD oder Camcorder an den PC zu gewährleisten.

,,IEEE ist die Abkürzung für Institute of Electrical and Electronics Engineers, einer Vereinigung von amerikanischen Elektro- und Elektronikingenieuren, die für viele Standards in Hardware und Software verantwortlich ist."
(Basiswissen IT-Berufe - ,,Einfache IT-Systeme" 2000, S. 45)

An den Firewire-Bus lassen sich bis zu 63 Geräte anschließen. Der IEEE-1394-Standard definiert eine einheitliche Programmierschnittstelle, die den Namen OpenHCI (Open Host Controller Interface) trägt. Das verwendete Kabel darf maximal 72 m lang sein. Das zwischen den einzelnen Geräten verwendete Kabel darf maximal 4,5 m lang sein. Auch hier handelt es sich um ein Twisted-Pair-Kabel. Der Firewire unterstützt Hot Plugging, dabei ist allerdings zu beachten, dass keine Neuorganisation der Adressen vorgenommen wird. Deshalb ist ein Anschluss im laufenden Betrieb nicht ohne einen Neustart möglich, da alle Geräte neue physikalische Adressen zugewiesen bekommen. Diesen Vorgang nennt man Selbstkonfiguration.

Literaturverzeichnis

Frielingsdorf, Herbert: Basiswissen IT-Berufe. Einfache IT-Systeme. Köln. Stam Verlag. Auflage und Erscheinungsjahr nicht bekannt.

Hübscher, Heinrich: IT-Handbuch. IT-Systemelektroniker/-in; Fachinformatiker/-in. Lüneburg. Westermann-Schulbuchverlag. 1. Auflage, 1999

Diebel, Dirk: Das Bussystem. (www.hausarbeiten.de)